广州南沙区软土分布特征及工程性质

刘 伟，陈凌伟，张庆华，黄佳铭，吴龙飞

(广州市城市规划勘测设计研究院，广州 510060)

1 研究背景

广州南沙区地处北江、西江下游，濒临珠江口伶仃洋交汇处，是珠江三角洲冲积平原前缘地带。区域在长期河流冲积、海岸浪流和潮汐作用下,淤积了深厚的第四系沉积物，南沙几乎全境分布淤泥、淤泥质土及粉细砂等。由于其独特的气候条件、地质、地理成因，南沙软土形成了明显的区域特性，使得其有全国“最软软土”的称号，具有典型的含水量高、灵敏度高、承载力低，压缩性高、时间效应明显等特点[1-3]。南沙作为粤港澳大湾区建设的中心，近年经济社会飞速发展，作为南沙区工程建设面临的主要的不良地质作用，由软土引起的地基承载力不足和不均匀沉降而导致的房屋倾斜开裂、道桥扭曲变形、地下管道拉裂、工程造价不可控等问题层出不穷，严重制约了当地城市规划建设[4-5]。

软土的工程特性一直是国内外岩土工程研究的一个热点。已有研究在软土的力学性质、变形机理和沉降计算方法等方面取得了较为丰硕的成果[6-9]。而针对广州南沙区软土的分布特征及工程性质，仅少量学者作了初步统计分析和研究工作[10-12]，较好地指导了工程实践，但相关研究成果的精度和深度较为薄弱，难以指导区域的地下空间规划设计和工程建设。开展南沙区软土分布特征和工程性质研究，提出高精度的研究成果，无疑对科学指导南沙地下空间合理有序开发，实现土地资源集约化利用具有重要意义。

本文利用南沙区高密度均匀分布的4 280个钻孔数据，结合广州海陆变迁和14C测年试验成果，深入分析了区域软土的成因类型和沉积环境，揭示了南沙区软土分布特征，保证了研究成果精度；同时对其物理、力学指标进行了统计和分析，对比了不同深度软土工程性质的差异。成果可为南沙区国土空间规划、地下空间开发利用及工程建设提供基础数据支撑。

2 钻孔数据

广州南沙区总面积约780 km2，笔者收集了区内近万个钻孔资料，以均匀分布为准则，从中筛选了4 280个，钻孔密度达5.5个/km2，深度均达到基岩面以下3～5 m。

图1为本文所利用钻孔的平面位置分布。从图中可以看出，钻孔基本均匀覆盖了南沙全境，保证了从空间上可较好地控制软土层的分布。此外，所有钻孔数据齐全，包含钻孔位置、终孔深度、静止水位、地层描述、土样物理力学参数、原位测试等信息，为从土性状态、物理力学性质等多角度判别软土分布，提供了可靠且丰富的数据支撑。

图1 钻孔平面位置分布Fig.1 Plane layout of boreholes

本文依托“粤港澳大湾区城市综合地质调查”子项“广州市多要素城市地质调查”，基于如此数量大、密度高、分布广的基础数据，分析和研究南沙区软土分布特征和工程性质，尚属首次。

3 软土的分布特征

根据区域海陆变迁史和第四系沉积记录[13-14]，珠江三角洲是由3次海侵和3次海退过程发育而成，第四系主要由3套回旋沉积物组成。其中下部为晚更新世(Q3)堆积，中部为中全新世(Q42)沉积物，上部为晚全新世(Q43)产物。由于海退浪潮、河流冲积、生物化学等综合作用，3套沉积物之间大都被花斑状签章性土、河流相砂砾层所隔开。其中广州市全新世(近1万年)以来，共发生2次大规模海侵和期间1次大规模海退。最近一次海侵发生在距今2 500～3 000 a，海水最北入侵到越秀山脚下，南沙全境基本被淹没，大量泥沙物质淤积。从地质成因看，南沙区软土主要是海陆交互相沉积物，大部分形成于全新世(Q4)期间，少量为更新世(Q3)产物。综合区域地质钻孔资料，南沙软土主要由淤泥、淤泥质土、淤泥混粉细砂等组成，一般呈灰黑色、饱和、流塑状，含贝壳碎片，有腐臭味等。

根据搜集的钻孔资料，将每个钻孔中软土厚度进行叠加，绘制了南沙区软土厚度云图，如图2所示。从图2可知，南沙区除鹿颈公园等少数低丘地带外，基本全境覆盖软土层，分布面积约718 km2，占全区总面积的91.6%，平均厚度15～20 m，总体呈由西北向东南、由内陆向河口、海岸厚度越来越大的规律。其中灵山、大小虎山、黄山鲁、铜鼓山等山地丘陵的周边，软土层发育厚度一般<10 m。由北向南的东涌—榄核—大岗—珠江街—龙穴岛一带，软土的厚度普遍为10～25 m。南部的横沥、万顷沙、新垦、三民岛、南沙港区软土的发育厚度较大，普遍为25～40 m。厚度>40 m的软土，主要分布在万顷沙十七涌以南局部地区，局部填海造陆区域，软土最厚可达60 m以上。

图2 软土总厚度分布Fig.2 Thickness distribution of soft clay

南沙面积大，软土分布广泛，成分复杂。不同沉积时代、不同埋藏深度处软土，其工程性质往往存在较大差异。为此，本文建立了2条不同走向的地质剖面，如图3和图4所示。剖面1-1位于南沙区北部，是一条东西走向东涌—榄核的地质剖面。剖面2-2位于南沙区南部，是一条南北走向大岗—珠江—横沥—万顷沙的地质剖面,具体位置见图1。

图3 典型地质剖面1-1Fig.3 Typical geological profile 1-1

图4 典型地质剖面2-2Fig.4 Typical geological profile 2-2

从图3和图4可知，南沙区在不同深度范围内，断续分布着1～2层软土，结合钻孔资料统计数据，上下两层软土具有“上厚下薄、上纯下杂”的特点：上层软土厚度普遍更大，土质较纯，手捏滑感好，粉细砂含量较少；下层软土厚度相对较薄，含腐木和植物根系。

根据18组不同位置(图5)、不同深度(表1)14C测年试验结果发现，上层软土主要由距今约1万年以来的全新世(Q4)沉积物组成，14C年龄分布在1 500～8 500 a之间；下层软土主要为更新世(Q3)产物，14C年龄约为34 000～45 000 a 之间，其主要分布在区域低洼地段，以冲洪积、海积的淤泥、淤泥质土为主，顶部一般有灰白色、黄褐色砂砾层或红褐色、花斑状黏土层。

图5 软土14C测年取样点分布Fig.5 Distribution of 14C sampling locations

表1 14C测年试验结果Table 1 Results of 14C test

综合钻孔数据、剖面特性及14C测年试验结果，得到了南沙区全新世(Q4)和更新世(Q3)软土分布特征，如图6和图7所示。

由图6、图7可知，南沙软土主要由全新世(Q4)软土层构成，其分布特征与总厚度分布基本一致，总体也呈由西北向东南、由内陆向河口、海岸厚度越来越大的规律。存在一条北向南东涌—榄核—大岗—珠江街—龙穴岛的软土分布带，厚度普遍在10～25 m之间，横沥、万顷沙及龙穴岛的临海一带软土厚度超过45 m。

图6 全新世(Q4)软土厚度分布Fig.6 Thickness distribution of Holocene soft clay

图7 更新世(Q3)软土厚度分布Fig.7 Thickness distribution of Pleistocene soft clay

局部区域存在更新世(Q3)软土层，厚度相对较小。如南沙北部的黄阁镇、大岗镇、东涌镇等，厚度多在3～12 m之间；龙穴岛的北部及珠江街道和万顷沙镇的交界处，分布层较厚，可达10～20 m。

4 软土的工程性质

分析统计了南沙区淤泥和淤泥质土的基本物理力学参数，研究了各参数指标随含水量变化的分布规律，见表2。区域软土的工程性质具有如下特点。

表2 软土物理力学参数统计Table 2 Physico-mechanical properties of soft clay

4.1 范围广、厚度大、埋深浅

基岩层面起伏较大，软土层由北向南逐渐变厚，一般在10～30 m之间，分布较不均匀。多地段出露软土硬壳层，多区域软土上仅有薄薄一层填土，在城市发展较早地区，填土层较厚，埋深达到3～5 m。

4.2 含水率高，孔隙比大

软土的天然含水率多在50%～100%之间，天然含水率平均值66%，有的高达120%。孔隙比一般为1.0～2.5，少数>3.0，饱和度接近100%。孔隙比、液性指数等参数随含水率增大而升高。

4.3 天然密度小、压缩性高

天然密度变化范围一般在1.31～1.90 g/cm3之间，均值1.56 g/cm3，干密度变化范围为0.43～1.36 g/cm3。天然孔隙比大决定了压缩性必然高，区内软土的压缩系数一般在1.1～2.5 MPa-1之间。

4.4 抗剪强度低、触变性大

快剪黏聚力一般为4～13 kPa，内摩擦角2°～12°；天然状态十字板抗剪强度一般<15 kPa。区域软土灵敏度一般在3～6之间，个别可达到10～15。

此外根据南沙软土的形成时代不同，分别统计了全新世(Q4)和更新世(Q3)软土层中淤泥和淤泥质土物理力学参数，对比分析了上下两层软土工程性质差异，详情可见表3、表4。具体如下：

表3 南沙区全新世(Q4)软土层物理力学参数统计Table 3 Physico-mechanical properties of Holocene soft clay

表4 南沙区更新世(Q3)软土层物理力学参数统计Table 4 Physico-mechanical properties of Pleistocene soft clay

上层全新世(Q4)软土中的淤泥，天然含水率范围在60.1%～86.2%之间，平均为75.6%；孔隙比范围为1.500～4.101，平均为1.931；液性指数范围在1.0～5.9之间，平均为1.95；压缩系数范围在0.82～3.56之间，平均为1.76。经过计算得到抗剪强度统计标准值黏聚力C=5.0 kPa，内摩擦角φ=3.3°。

下层更新世(Q3)软土中的淤泥，天然含水率范围在46.3%～85.2%之间，平均为63.8%；孔隙比范围为1.501～2.923，平均为1.789；液性指数范围在1.06～3.83之间，平均为1.91；压缩系数范围在0.67～2.64之间，平均为1.31。经过计算得抗剪强度统计标准值黏聚力C=5.6 kPa，内摩擦角φ=3.8°。

上层全新世(Q4)软土中的淤泥质土，天然含水率在40.0%～77.6%之间，平均为53.0%；孔隙比为1.001～1.493，平均值为1.264；液性指数在1.01～5.97之间，平均为1.93；压缩系数在0.54～2.73之间，平均为1.04。经过计算得抗剪强度统计标准值黏聚力C=7.3 kPa，内摩擦角φ=4.3°。

下层更新世(Q3)软土中的淤泥质土，天然含水率在35.3%～66.6%之间，平均为50.2%；孔隙比为1.03～1.49，平均值为1.354；液性指数在1.01～5.97之间，平均为1.93；压缩系数在0.58～1.69之间，平均为0.98。经过计算得抗剪强度统计标准值黏聚力C=6.9 kPa，内摩擦角φ=4.8°。

由此可知，不同深度处软土工程特性普遍存在“上高下低，上弱下强”的规律：同层软土中，淤泥相较于淤泥质土，含水率、孔隙比、压缩系数普遍较大，抗剪强度指标普遍较低；不同层软土，上层全新世(Q4)淤泥和淤泥质土比下层更新世(Q3)淤泥和淤泥质土，含水率、孔隙比、压缩系数普遍更大，抗剪强度更低。

综合上述对南沙区软土分布特征和工程性质研究成果可知，上层全新世(Q4)软土层分布广、厚度大，再加上其含水率高、孔隙比大、压缩系数高、强度低等特性，该层软土将对南沙工程建设、地下空间开发利用、未来沉降发展趋势起控制性作用。

5 结 论

通过对广州南沙区4 280个均匀分布的钻孔数据的分析，结合广州海陆变迁史和14C测年试验成果，深入研究了南沙区软土的成因时代和沉积环境，揭示了南沙区软土的分布特征，绘制了高精度的软土厚度分布图；同时对区域软土的物理力学指标进行了统计和分析，对比了不同深度软土工程性质的差异。所得结论如下：

(1)除少数低丘地带外，南沙基本全境分布软土，平均厚度约13～15 m，总体呈由西北向东南、由内陆向河口、海岸厚度越来越大的规律。东涌—榄核—大岗—珠江街—龙穴岛一带，软土的厚度普遍在10～25 m之间。软土厚度>40 m的区域，主要集中在万顷沙镇十七涌以南的地区。局部填海造陆区域，软土最厚可达60 m以上。

(2)南沙普遍发育着1～2层软土，上层为全新世软土层，14C年龄分布在1 500～8 500 a之间，其分布特征与软土总厚度分布基本一致，范围广、厚度大；下层为更新世软土层，14C年龄约为34 000～45 000 a之间，其分布面积较少、厚度小，主要集中在区域低洼地段。

(3)南沙软土平均含水率高达66%，饱和度接近100%，这也导致南沙软土普遍具有孔隙比大、天然密度小、压缩性高、抗剪强度低的特性。

(4)南沙两层软土空间分布上呈“上厚下薄、上纯下杂”的特点：上层软土厚度普遍更大，土质较纯，粉细砂含量较少；下层软土厚度相对较薄，含腐木和植物根系。

(5)南沙两层软土工程性质具有“上高下低、上弱下强”的特点：较于下层软土，上层软土的含水率、孔隙比、压缩系数普遍更大，抗剪强度更低。